高頻電磁場對懸液中細(xì)胞膜電位影響的理論研究與實(shí)時電磁輻照裝置設(shè)計.pdf

1、電磁輻射對健康的影響引起了廣泛關(guān)注，電磁輻射生物效應(yīng)研究是評估電磁輻射潛在健康危害的有效方式。一方面，研究表明，細(xì)胞膜可能是外加電磁場作用的初始靶標(biāo)，細(xì)胞膜上的跨膜電位等相關(guān)電生理信號是人們關(guān)注的重點(diǎn)。細(xì)胞膜電位是反映細(xì)胞生理狀態(tài)和功能的良好指標(biāo)，而在外加電磁場的作用下，細(xì)胞膜電位的變化可能會引起細(xì)胞生理、生化狀態(tài)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)一列的連鎖反應(yīng)。另一方面，已有的電磁輻射生物效應(yīng)研究多集中于輻照后的生物學(xué)效應(yīng)，即在電磁輻射之后的某些時

2、間點(diǎn)檢測生物樣本相關(guān)指標(biāo)的變化情況，忽略了輻照過程中的效應(yīng)。而電磁場對生物體電生理信號的作用很可能是一個實(shí)時的作用，可通過生物體電生理信號的改變而導(dǎo)致后續(xù)一系列變化如神經(jīng)遞質(zhì)紊亂、基因表達(dá)改變等。但由于缺乏實(shí)時的電磁輻照系統(tǒng)，相關(guān)研究尚無法開展。因此，基于以上兩方面，建立外加電磁場作用下細(xì)胞膜電位計算模型，設(shè)計基于細(xì)胞電生理記錄的實(shí)時電磁輻照裝置對掌握細(xì)胞膜電位的變化規(guī)律、開展電磁輻射過程中的生物效應(yīng)研究及其在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重

3、要指導(dǎo)意義。且兩部分內(nèi)容相輔相成，膜電位的理論計算模型研究為預(yù)測可能的電磁輻射生物效應(yīng)提供理論依據(jù);適用于細(xì)胞電生理記錄的實(shí)時電磁輻照裝置又作為檢測細(xì)胞電信號的基礎(chǔ)，為理論計算模型提供驗(yàn)證手段。
　　綜合以上兩方面的考慮，本文首先建立了外加電磁場作用下，懸液細(xì)胞膜電位的理論計算模型，并將模型的適用范圍擴(kuò)展到高頻電磁場，尤其是頻率高于細(xì)胞膜弛豫頻率的情況。隨著頻率的升高，細(xì)胞膜的電導(dǎo)率和細(xì)胞膜內(nèi)外的電容特性均需考慮在計算模型中，本文

4、通過有效介質(zhì)理論和場近似等效的方法將懸液中其他細(xì)胞的影響等效于一個局部場的作用，利用已經(jīng)建立的外電場作用下單個細(xì)胞膜電位的計算模型推導(dǎo)出外加高頻電磁場作用下，懸液細(xì)胞膜電位的計算模型。計算結(jié)果表明:在頻率較低時，懸液細(xì)胞膜電位受頻率、細(xì)胞濃度、排列方式等因素的影響，而當(dāng)頻率較高時，頻率上升為主導(dǎo)因素。由于細(xì)胞內(nèi)、外液的介電弛豫效應(yīng)，跨膜電位沒有隨著頻率升高而單調(diào)的下降，而是在中間某個頻段出現(xiàn)了平臺效應(yīng)，之后隨頻率繼續(xù)上升膜電位再重新下降

5、。最后與其他類似的計算模型（低頻）以及數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比，分析了理論計算模型與數(shù)值計算結(jié)果存在偏差的原因--有效介質(zhì)理論和場近似等效的方法不能精確的計算出懸液中局部電勢/場分布。并提出了一種基于Bergman譜理論的可能解決方法。實(shí)際上，建立外加電場作用下懸液中細(xì)胞膜電位的理論計算模型，其關(guān)鍵在于精確的計算出細(xì)胞懸液的局部電場或電勢分布，將非均質(zhì)細(xì)胞單殼模型等效為均質(zhì)小球模型后，實(shí)質(zhì)上細(xì)胞懸液就轉(zhuǎn)化成了一個二元復(fù)合介質(zhì)，而基于Berg

6、man譜理論的方法正好可以精確的計算復(fù)合介質(zhì)中的電場和電勢分布。
　　第二部分內(nèi)容，首先根據(jù)生物實(shí)驗(yàn)的需要，確定電磁輻照裝置的結(jié)構(gòu)為開放式傳輸線結(jié)構(gòu)，并得到傳輸線結(jié)構(gòu)的尺寸約束條件;然后針對阻抗匹配、單模傳播等電磁特性要求，確定電磁輻照裝置的結(jié)構(gòu)為微屏蔽共面波導(dǎo)。利用保角變換法推導(dǎo)了微屏蔽共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸與特征阻抗關(guān)系的解析式，再結(jié)合已有的尺寸約束條件初步確定了微屏蔽共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。通過CST電磁仿真軟件分別建立了無生物

7、樣本和有生物樣本兩種情況下的微屏蔽共面波導(dǎo)電磁仿真模型，得到了無生物樣本模型的S參數(shù)、場分布以及有生物樣本模型的SAR分布及其均勻性等關(guān)鍵性參數(shù)。針對細(xì)胞懸液中凹液面對SAR分布的影響，又建立了含凹液面的培養(yǎng)皿模型，對比了平液面和凹液面的SAR分布情況，仿真結(jié)果顯示凹液面對SAR分布具有明顯影響。針對生物樣本SAR均勻性問題，提出了改變激勵方式的方法--由一端激勵變?yōu)閮啥送瑫r激勵，仿真結(jié)果表明生物樣本的SAR的均勻性有較大改善。針對電磁

8、干擾問題，擬采用改變電極插入角度、延長玻璃電極長度等多種方式減少電磁場對電極的干擾。最后，由于MEMS技術(shù)加工微屏蔽共面波導(dǎo)的尺寸限制和成本問題，提出了一種新的加工工藝流程，將微屏蔽共面波導(dǎo)分成兩部分，通過PCB加工和機(jī)械加工后再組合的方式解決了微屏蔽共面波導(dǎo)的加工制造問題。綜上，電磁仿真結(jié)果表明設(shè)計方法合理、可靠，設(shè)計的未屏蔽共面波導(dǎo)裝置完全符合電磁和生物實(shí)驗(yàn)的兩方面要求，并且各參數(shù)性能較目前已有的照射裝置更好。考慮到整個照射系統(tǒng)組建